盾构施工专业知识讲座

盾构法施工1/28盾构根据挖掘方式盾构可分为手工挖掘和机械挖掘式盾构，根据切削环与工作面关系可分为开口形与密闭形盾构。2/28盾构法施工具有下列长处：1、因需在顶进是盾构本身，在同一土层中所需顶力为一常数，不受顶力大小限制；2、盾构断面形状能够任意选择，并且能够形成曲线走向；3、操作安全，可在盾构设备掩护下，进行土层一式挖和衬砌；。4、施工时不扰民，噪声小，影响交通少；5、盾构法进行水底施工，不影响航道通行；6、严格控制正面超挖，加强衬砌背面空隙填充，可控制地表沉降。3/28盾构组成

盾构是用于地下开槽法施工时进行地层开挖及衬砌拼装进起支护作用施工设备。基本构造由开挖系统、推进系统和衬砌拼装系统三部分组成4/28开挖系统

盾构壳体形状可任意选择，用于给排水管沟，多采取钢制圆形筒体，由切削环、支撑环、盾尾三部分组成，由外壳钢板连接成一种整体。如图所示。

5/281．切削环部分

位于盾构最前端，它前端做成刃口，以减少切土时对地层扰动。切削环也是盾构施工时容纳作业人员挖土或安装挖掘机械部位。盾构开挖系统均设置于切削环中。根据切削环与工作面关系，可分开放式和密封两类。当土质不能保持稳定，如涣散粉细砂，液化土等，应采取密闭式盾构。当需要对工作面支撑，可采取气压盾构或泥水压力盾构，这时在切削环与支撑环之间设密封隔板分开。2．支撑环部分

位于切削环之后，处于盾构中间部位。它承当地层对盾构土压力、千斤顶顶力以及刃口、盾尾、砌块拼装时传来施工荷载等。它外沿布置千斤顶，大型盾构将液压、动力设备，操作系统，衬砌拼装机等均集中布置在支撑环中。在中、小型盾构中，可把部分设备放在盾构背面车架上。3．盾尾部分

它作用主要是掩护衬砌拼装，并且避免水、土及注浆材料从盾尾间隙进入盾构。盾尾密封装置由于盾构位置千变万化，极易损坏，要求材耐磨、耐拉并富有弹性。曾采取单纯橡胶、橡胶加弹簧钢板、充气式、毛刷型等多种盾尾密封装置，但至今效果不够抱负，一般多采取多道密封及可更换盾尾密封装置。6/28推进系统

推进系统是盾构关键部分，依靠千斤顶将盾构向前移动。千斤顶控制采取油压系统，其组成由高压油泵、操作阀件和千斤顶等设备组成。盾构千斤顶液压回路系统如图所示。图为阀门转换器工作示意图。当滑块2处于左端时，高压油自进油管1流入经分油箱4将千斤顶5出镐；若需回镐时，将滑块2移向右端，高压油从阀门转换器4，推进千斤顶回镐，并将回油管中油流向分油箱。7/28衬砌拼装系统

盾构顶进后应及时进行衬砌工作，衬砌块作为盾构千斤顶后背，承受顶力，施工过程中作为支撑构造，施工结束后作为永久性承载构造。砌块采取钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土、砌块状有矩形、梯形、缺形等，砌块尺寸视衬砌办法。如图4—46所示。8/28盾构壳体尺寸确定1、盾构外径盾构内径D内应大于隧道衬砌外径。D=d+2（χ+δ）

式中：

D—盾构外径（mm）；d—衬砌外径（mm）；χ—盾构厚度（mm）；δ—盾构建筑间隙（mm）；根据盾构调整方向要求，一般盾构建筑为衬砌外径0.8～1.0%左右。其最小值要满足：

χ=Ml/d

式中：l—盾尾内衬砌环上顶点能转动最大水平距离，一般采取l=d/80；M—盾尾掩盖部分衬砌长度。因此χ=0.0125M，一般取用30～60mm.9/28盾构尺寸确定2、盾构长度盾构全长为前檐、切削环、支撑环和盾尾长度总和，其大小取决于盾构开挖办法及预制衬砌环宽度。也与盾构敏捷度有关系。盾构敏捷度指盾构总和度L与其外径D百分比关系。敏捷度一般采取：小型盾构（D=2～3m），L/D=1.5左右；中型盾构（D=3～6m），L/D=1.0左右；大型盾构

L/D=0.75左右。盾构直径确定后，选择合适敏捷度，即可决定盾构长度。10/28盾构推进时系统顶力计算

盾构前进是靠千斤顶来推进和调整方向。因此千斤顶应有足够力量，来克服盾构前进过程中所遇到多种阻力。（一）外壳与周围土层间摩擦阻力F1F1=υ１[2（PV+Ph）L·D]

式中：PV—盾构顶部竖向土压力（ｋＮ／ｍ²）；Ph—水平土压力值（ｋＮ／ｍ²）；υ１—土与钢之间摩擦系数，一般取０.２～０.６；Ｌ—盾构长度（ｍ）；Ｄ—盾构外径（ｍ）。11/28切削环部分刃口切入土层阻力Ｆ２Ｆ２＝Ｄπｌ（ＰＶｔｇØ＋Ｃ）

式中：Ø—土内摩擦角；Ｃ—土内聚力（ｋＮ／ｍ²）；其他符合与公式（４—１７）相同。（三）砌块与盾尾之间摩擦力Ｆ３Ｆ３＝υ２·Ｇ′·L′

式中：υ２—盾尾与衬砌之间摩擦系数，一般为０.４～０.５；Ｇ′—环衬砌重量；L′—盾尾中衬砌环数。12/28盾构自重产生摩擦阻力F4F4=G·υ１

式中：

G—盾构自重；υ１—钢土之间摩擦系数，一般为0.2～0.6。（五）开挖面支撑阻力F5，应按支撑面上积极土压力计算。其项阻力，需根据盾构施工时实际情况给予计算，叠加后组成盾构推进总阻力。由于上述计算均为近似值，实际确定千斤顶总顶力时，尚乘1.5～2.0安全系数。有资料提供经验公式确定盾构总顶力为：P=（700-1000）πD²/4·Kn

盾构千斤顶顶力：小型断面用500～600ｋＮ；中型断面用1000～1500ｋＮ；大型断面用（D>10m）用25000ｋＮ。我国使用千斤顶多数为1500～2023ｋＮ。13/28盾构施工

盾构法施工概貌，如图所示14/28施工准备工作

盾构施工前根据设计提供图纸和有关资料，对施工现场应进行详细勘察，对地上、地下障碍物；地形、土质、地下水和现场条件等诸方面进行理解，根据勘察成果，编制盾构施工方案。盾构施工准备工作还应包括测量定线、衬块预制、盾构机械组装、减少地下水位、土层加固以及工作坑开挖等。上述这些准备工作视情况选用，并编入施工方案中。其允许偏差见表4—7。15/28盾构法施工给水排水管道允许偏差注：圆环变形等于圆环水平及垂直直径差值与标准内径比值。项目允许偏差高程排水管道+15～-150(mm)套管或管廊每环±100(mm)轴线位移150(mm)圆环变形8‰早期衬砌相邻环高差≤20(mm)16/28盾构工作坑及始顶

盾构法施工也应当设置工作坑（也称工作室），作为盾构开始、中间、结束井。开始工作坑作为盾构施工起点，将盾构下入工作坑内；结束工作坑作为全线顶进完成，需要交盾构取出；中间工作坑根据需要设置，如为了减少土方、材料地下运输距离或者中间需要设置检查井、车站等构筑物时而设置中间工作坑。17/28开始工作坑与顶管工作坑相同，其尺寸应满足盾构和其顶进设备尺寸要求。工作坑周壁应做支撑或采取沉井或连续加固，避免坍塌，同样盾构顶进方向对面做好牢靠后背。盾构在工作坑导轨上至盾构完全进入土中这一段距离，借助外部千斤顶顶进。与顶管办法相同如图所示。18/2819/28当盾构已进入土中后来，在开始工作坑后背与盾构衬砌环，各设置一种木环，其大小尺寸与衬砌环相等，在两个木环之间用圆木支撑，作为始顶段盾构千斤顶支撑构造。一般情况下，衬砌环长度达30～50m后来，才能起后背作用，拆除工作坑内圆木支撑。始段开始后，即可起用盾构本身千斤顶，将切削环刃口切入土中，在切削环掩护下进行掘土，一面出土一面将衬砌块运入盾构内，待千斤顶回镐后，其空隙部分进行砌块拼装。再以衬砌环为后背，启动千斤顶，反复上述操作，盾构便不停前进。20/28衬砌和灌浆按照设计要求，确定砌块形状和尺寸以及接缝方法，接口有平口、企口和螺栓连接。企口接缝防水性能好，但拼装复杂；螺栓连接整体性好，刚度大。砌块接口涂抹粘结剂，提高防水性能，常用粘结剂有沥青、玛脂、环氧胶泥等。砌块外壁与土壁间间隙应用水泥砂浆或豆石混凝土灌注。通常每隔3～5衬砌环有一灌注孔环，此环上设有4～10个灌注孔。灌注孔直径大于36mm。灌浆作业应及时进行。灌入顺自下而上，左右对称地进行。灌浆时应防止浆液漏入盾构内，在此之前应做好止水。砌块衬砌和缝隙注浆合称为一次衬砌。二次衬砌按照功能要求，在一次衬砌合格后，可进行二次衬砌。二次衬砌浇筑豆石混凝土、喷射混凝土等。21/281、无注浆钢筋超前锚杆锚杆可采取φ22mm螺纹钢筋，长度一般为2.0～2.5m，环向排列，其间距视土壤情况确定，一般为2.0～0.4m，排列至拱脚处为止。锚杆每一循环掘进打入一次。可用风动凿岩机打入拱顶上部，钢锚杆末端要焊接在拱架上。此法适用于拱顶土壤较好情况下，是避免坍塌一种有效措施。2、注浆小导管当拱顶土层较差，需要注浆加固时，利用导管替代锚杆。导管可采取直径为32mm钢管，长度为3～7m，环向排列间距为0.3m,仰角7～12°。导管管壁设有出桨孔，呈梅花状分布。导管可用风动冲击钻机或PZ75型水钻机成孔，然后推入孔内。3、喷射混凝土喷射混凝土上是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定配合比拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而志一种混凝土。根据喷射混凝土拌合料搅拌和运输方式，喷射方式一般分为干式和湿式两种。常采取干式。下列图为干式和湿式喷射混凝土工艺流程图。22/28干式射喷是依靠喷射机压送干拌合料，在喷嘴处加水。在国内外应用较为普遍，它主要长处是设备简单，输送距离长，速凝剂可在进入喷射机前加入。湿式喷射是用喷射机压送湿拌合料（加入拌合水），在喷嘴处加入速凝剂。它主要长处是拌合均匀，水灰比能精确控制，混凝剂加入也较困难。23/28喷射混凝土材料要求：(1)水泥

喷射混凝土应选用大于425号硅酸盐或普通硅盐水泥，由于这两种水泥C3s和C3A含量较高,同速凝剂相容性好,能速凝、快硬,后期强度也较高.当遇有较高可溶性硫酸盐地层或地下水时，应选用抗硫酸盐类水泥。当结构物要求喷射混凝土早强时，可使用硫铝酸盐水泥或其它早强水泥。(2)砂

喷射混凝土宜选用中粗砂，一般砂子颗粒级配应满足下表规定。砂子过细，会使干缩增大；砂子过粗，则会增加回弹。砂子中小于0.075mm颗粒不应大于20%。

砂级配程度

筛孔尺寸(mm)

通过百分数(以重量计)筛孔尺寸(mm)通过百分数(以重量计)52.51.295～10080～10050～850.60.30.1525～6010～302～1024/28（3）石子

宜选用卵石为好，为了减少回弹，石子最大粒径不宜大于20mm，石子级配应符合下表要求。若掺入速凝剂时，石子中不应具有二氧化硅石料，以免喷射混凝土开裂。

石子级配程度

筛孔尺寸

(mm)

通过每个筛子重量百分比

级配Ⅰ

级配Ⅱ20151052.51.2

10090～10040～700～150～5--

--

10085～10010～300～100～525/28(4)速凝剂

使用速凝剂主要是使喷射混凝土速凝快硬，减少回弹损失，避免喷射混凝土因重力作用引发脱落，可合适加大一次喷射厚度等。喷射混凝土拌合料砂率控制在45～55%为好，水灰比0.4～0.5为宜。26/284.回填注浆

在暗挖法施工中，在早期支护拱顶上部，由于喷射混凝土与土层未密贴，